电力电子设备TCR型SVC装置在钢厂新型LF炉中的应用

湖南华菱湘潭钢铁有限公司 刘 彰 秦立刚 北京科锐博润电力电子有限公司 王荣斌

当前中国每年产生的钢铁废料约2亿吨，为减少能耗和污染排放，国内冶金企业正在大力开展优化炼钢工序、提高废钢比的研究改造工作。利用LF 炉的电弧热源和钢液余温融化废钢，实现LF 炉加废钢冶炼精炼，相对传统LF 炉是一种新的工艺和技术，可以降低炼钢工序生产成本，提高企业经济效益[1-3]。目前我国针对传统LF 炉的电能质量评估和治理经验比较成熟及完善，但针对加废钢冶炼的新型LF 炉的电能质量评估及治理方案的经验非常少。本文针对湖南某钢铁企业棒材厂新增的2台新型LF 炉进行了电能质量评估、配套治理解决方案（TCR 型SVC）的设计、以及运行后治理效果仿真分析等，进行研究说明。

1 设计依据

项目概况：湖南某钢铁企业棒材厂为提高钢水产能并降低吨钢成本，对现有两台LF 炉进行升级改造，由两台18MVA 传统LF 炉升级为两台25MVA 新型LF 炉。由于新型LF 炉产生更恶劣的谐波、电压波动及闪变、负序等问题，需重新研究设计治理解决方案；220kV 主变参数：额定容量150/150/75MVA， 额 定 电 压220/36.75/10.5kV，短路阻抗高－中13.6%、高－低38.4%、中－低22.9%， 联 结 组 别Ynyn0d11；LF 炉 变 压 器 参数：额定容量25MVA，一次电压35kV，二次电压240～390V，分接开关级数13级，短网阻抗≤0.65+j2.45mΩ。

新型LF 炉是利用自身电弧热源和钢液余温融化废钢进行冶炼，相比传统LF 炉的工艺特点如下：炉变容量都是25MVA；加废料多（可加入废钢量10%～20%）、传统LF 炉加废料少（每次只加1%的有色金属）；加料后温降大；电炉温升速度快；倒渣、埋弧次数多。根据测试数据，新型LF 炉与传统LF炉产生的电能质量对比分析如表1～2，此外其电压波动（%）分别为4.85、3.71，电压闪变分别为1.68、0.86，三相电压不平衡度分别为1.11、0.57，功率因数分别为0.78、0.82。

表1 谐波电流

表2 谐波电压

图1 TCR 型SVC 原理示意图

治理方案设计的配置原则。当新型LF 炉正常生产时，引起35kV 母线电压波动为7.31%、闪变为1.81，三相电压不平衡达到1.66%，远超过了国标限值，所以必须采取动态无功补偿装置进行针对性的治理，且由于新型LF 炉较传统LF 炉产生的电能质量更恶劣，因此需设计有针对性的调节控制策略，使其治理效果满足新型LF 炉电能质量治理的要求。本文中针对新型LF 炉的电能质量治理采用TCR 型SVC 的设计方案，采用了传统LC滤波补偿技术与TCR 型动态无功补偿技术，既解决了高次谐波问题和无功功率问题，又解决了无功功率快速大幅波动导致的电压波动、闪变和三相不平衡问题。

2 SVC 方案设计

2.1 SVC 装置容量设计

按提高功率因数进行容量计算。无功补偿计算如式（1），据此计算，过载率取1.2，功率因数提高至0.95所需无功补偿容量为22.16MVar。

按改善电压波动进行容量计算。两台新型精炼炉产生的最大无功功率为52.8MVar,引起35kV母线最大电压波动为7.32%，电压波动限值为3%，则所需的SVC 补偿容量为Q=（7.32%-3%）×721=31.15MVar。考虑一定的补偿裕度，最终SVC 的动态补偿容量为0～35MVar，能够满足治理目标的需求。

2.2 TCR 支路参数设计

根据系统额定电压、频率、TCR 额定容量、触发角等计算出相控电抗器参数,TCR 支路的主要技术参数如下：额定电压35kV，额定容量35MVar，晶闸管5STP 03D6500、22串/相，触发角度105～165°，触发方式为光电触发，冷却方式为水-风冷却，额定电感2×112.664mH，安装方式为每相两台、上下安装。

2.3 滤波器支路设计

基于SVC 补偿容量为35MVar 及滤波仿真分析，滤波器最终采用2次、3次、4次、5次四条支路,支路设计如下：2次滤波器采用“C”型滤波器，达到拓宽频带，增加阻尼和减少电阻基波功率损耗的效果；3次滤波器采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果；4次滤波器采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果；5次滤波器采用单调谐滤波器，达到最佳的滤波效果。

表3 SVC 装置各滤波器支路的设计参数

2.4 SVC 控制系统及控制策略

2.4.1 控制系统模型

本文针对新型LF 炉的工艺特点以及产生的电能质量问题，采用基于瞬时无功功率理论的算法来检测无功功率，根据对称分量法，将不平衡三相电流瞬时值分解为正序分量组、负序分量组和零序分量，计算系统的瞬时无功功率值，满足本项目无功快速连续动作的要求[4]。SVC 控制系统主要包括无功测量、电压有效值测量、TCR 触发角求取、触发脉冲生成和功能性控制器等。本文主要给出基本的控制环节的仿真模型。

无功测量：瞬时无功测量值如式（2），三相总无功功率Qmeas由式（2）计算得到图2。TCR 控制本质为相分别控制，则需总等效导纳平分于各相，如下式计算：B=Qmeas/3U2。

图2 控制模型图

图3 电压有效值测量

TCR 触发角求取。TCR 装置相当于一个可调电纳。其等效电纳与触发角α 的关系为式（3），参考导纳B 选择对应控制器输出的等效导纳，如无功控制的等效导纳Bq 和电压调节控制的等效导纳Bv，由参考导纳B 经过计算和查表得出晶闸管的触发角α。

触发脉冲生成。对35kV 侧的线电压进行PLL锁相，得到6个依次相差60度的锯齿脉冲波，与输出的触发角进行比较得到TCR 的6个晶闸管的触发脉冲。

2.4.2 控制策略及仿真分析

根据控制指令进行无功输出的控制目标对TCR控制，相当于开环动态无功控制。整个控制流程如图4所示，其中的Qmeas即为无功输出指令Qref，无功参考值偏置设置为0。由于两TCR 输出均衡，则各输出一半功率，即图4中计算得到总需功率乘以两TCR 均分系数。对TCR 的动态无功输出仿真，达到检验TCR 的控制效果。仿真中，0.5s 时投入一个5次谐波支路，其中一相TCR 的角内电流波形、角外电流波形如图5所示。

3 治理后效果及仿真分析

根据系统参数和SVC 支路参数，建立谐波潮流计算网络，利用从加拿大进口仿真软件CYME PSAF 进行仿真，治理后的效果及仿真分析如下。

图4 开环动态无功控制器

图5 TCR 角内电流

TCR 角外电流

表4 谐波电流

表5 谐波电压

表6 电压波动及闪变、三相电压不平衡度、功率因数

表7 过电流和过电压校验结果

滤波器安全校核。为保证其长期、安全运行，对设计的各滤波电容器必须进行安全校验（表7）。谐波阻抗频率曲线可知，SVC 投入后各次滤波器运行安全可靠。

综上所述，针对新型LF 炉配套设计的TCR 型SVC 装置，其治理方案设计合理，治理效果达到设计初衷，治理后各项电能质量指标均满足国标要求，提高了新型LF 炉供电系统的可靠性。